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Bioprozess-Steuerung

Einfach unter Kontrolle: Bioprozess-Steuerung mit vorkonfigurierten Kontrollstrategien

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Vorbereitung der Bioprozesse in drei Schritten

Der Prozessstart im Auto-Culture-Modus verläuft in drei Schritten. Zuerst werden Kontrollstation und Gefäß vorbereitet und dann die Kultivierung gestartet.

  • 1. Für den hier beschriebenen Test wurde ein autoklavierbares Glasgefäß mit Heizmanschette und Direktantrieb mit einem Arbeitsvolumen von 2 L verwendet und dieser Gefäßtyp in der Steuerungssoftware aus einer Dropdown-Liste ausgewählt. pH- und DO-Sensoren sowie die Pumpen wurden anschließend gemäß der Bedienungsanleitung kalibriert. Die Hardware-Konfiguration der Bioprozess-Kontrollstation ist in Tabelle 1 zusammen­gefasst.
  • 2. Das Gefäß wurde mit 2 L Kulturmedium befüllt und sterilisiert. Es wurde dann eine Vorratsflasche mit 25 % (v/v) Ammoniumhydroxid für die pH-Kontrolle mit Pumpe 1 des Controllers und dem Gefäß verbunden. Die Kultur wurde mit 5 % des initialen Arbeitsvolumens inokuliert.
  • 3. Zum Start der Kultivierung wurde der Auto-Culture-Modus für E. coli in der Kontrollsoftware gestartet. Nach Bestätigung, dass die Sensoren kalibriert wurden, begann der Prozess und alle relevanten Sollwerte und Kontroll-Loops wurden automatisch eingestellt. Die Einstellungen sind in Tabelle 2 zusammengefasst.
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O2-Versorgung sicherstellen

In Fermentationsprozessen ist die Sauerstoffversorgung oft der limitierende Faktor. Deshalb wurde besonderes Augenmerk darauf gelegt, dass der Auto-Culture-Modus angemessen auf den O2-Bedarf der Kultur reagiert. Üblicherweise optimiert der Anwender im Zuge der Prozessentwicklung Kontrollkaskaden, die Rührgeschwindigkeit, Begasungsrate und Sauerstoffanteil in der Gasmischung steuern und so die Gelöstsauerstoffkonzentration im Medium regeln. Der Auto-Culture-Modus erleichtert dies, indem er für jede Gefäßkonfiguration eine getestete Kaskade liefert, die bei Programmstart automatisch aktiviert wird. Die Kaskade für das hier gewählte Glasgefäß ist in Abbildung 1 gezeigt. Wenn die Gelöstsauerstoffkonzentration den Sollwert unterschreitet, wird zuerst die Rührgeschwindigkeit bis auf maximal 1200 rpm erhöht. Reicht dies zum Erreichen des Sollwerts nicht aus, wird die Begasungsrate von null Standardliter pro Minute (SLPM) auf maximal 2,2 SLPM gesteigert. Bei Bedarf wird anschließend der Anteil von Sauerstoff am zugeführten Gasgemisch bis auf 100 % erhöht. All das geschieht automatisch, ohne dass der Anwender eingreifen muss.

Test aufs Exempel

Im vorliegenden Test wurde ein GFP-exprimierender E. coli Stamm kultiviert. Um den Fermentationserfolg zu kontrollieren, wurde stündlich eine Probe entnommen und über die Messung der optischen Dichte (OD600) das Zellwachstum verfolgt. Um die Proteinexpression zu quantifizieren, wurde die Produktion von GFP ermittelt. Dazu wurden die Bakterien lysiert und das GFP im Überstand mittels eines Eppendorf Biospectrometer Fluoreszenz-Photometers quantifiziert.

Wie in Abbildung 3 gezeigt, erreichte die OD600 innerhalb von sechs Stunden einen Wert von 14. Es wurden bis zu 650 relative Fluoreszenzeinheiten GFP pro mL produziert. Da in diesem Batch-Prozess keine Nährstoffe zugefügt wurden, sank deren Konzentration und die Kultur erreichte nach etwa sieben Stunden die stationäre Phase. Solch eine Wachstumskurve ist für einen Batch-Fermentationsprozess typisch und liefert wichtige Informationen zur Etablierung eines Fed-Batch oder eines kontinuierlichen Bioprozesses. In vorliegenden Fall wuchs der Bakterienstamm bei 37 °C und einem pH von 7,0 zufriedenstellend. Wenn das Experiment andere Sollwerte erfordert hätte, wären Änderungen jederzeit möglich gewesen.

Geänderte Protokolle können gespeichert und mit einem Knopfdruck wieder aufgerufen werden. So entsteht über die Zeit eine Bibliothek mit benutzerdefinierten Protokollen. n

* U. Becken: Eppendorf AG Bioprocess Center, 52428 Jülich

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